Satellite-based sunshine duration for Europe

In this study, two different methods were applied to derive daily and monthly sunshine duration based on high-resolution satellite products provided by the European Organisation for the Exploitation of Meteorological Satellites (EUMETSAT) Satellite Application Facility on Climate Monitoring using data from Meteosat Second Generation (MSG) SEVIRI (Spinning Enhanced Visible and Infrared Imager). The satellite products were either hourly cloud type or hourly surface incoming direct radiation. The satellite sunshine duration estimates were not found to be significantly different using the native 15-minute temporal resolution of SEVIRI. The satellite-based sunshine duration products give additional spatial information over the European continent compared with equivalent in situ-based products. An evaluation of the satellite sunshine duration by product intercomparison and against station measurements was carried out to determine their accuracy. The satellite data were found to be within ±1 h/day compared to high-quality Baseline Surface Radiation Network or surface synoptic observations (SYNOP) station measurements. The satellite-based products differ more over the oceans than over land, mainly because of the treatment of fractional clouds in the cloud type-based sunshine duration product. This paper presents the methods used to derive the satellite sunshine duration products and the performance of the different retrievals. The main benefits and disadvantages compared to station-based products are also discussed

Development of cloud removal and land cover Change extraction algorithms for remotely-sensed Landsat imagery

Land cover change monitoring requires the analysis of remotely-sensed data. In the tropics this is difficult because of persistent cloud cover, and data availability. This research focuses on the elimination of cloud cover as an important step towards addressing the issue of change detection. The result produced clearer images, whereas some persistent cloud remains. This persistent cloud and the cloud adjacency effects diminish the quality of image product and affect the change detection quality

Observations of a stratospheric aerosol <i>veil </i>from a tropical volcanic eruption in December 1808:is this the <i>Unknown </i>~1809 eruption?

The Unknown eruption of 1808/1809 was the second most explosive SO2-rich volcanic eruption in the last two centuries, eclipsed only by the cataclysmic VEI 7 Tambora eruption in April 1815. However, no eyewitness accounts of the event, and therefore its location, or the atmospheric optical effects associated with its aerosols have been documented from historical records. Here we report on two meteorological observations dating from the end of 1808 that describe phenomena we attribute to volcanic-induced atmospheric effects caused by the Unknown eruption. The observations were made by two highly respected Latin American scientists. The first, Francisco José de Caldas, describes a stratospheric aerosol haze, a "transparent cloud that obstructs the sun's brilliance", that was visible over the city of Bogotá, Colombia, from 11 December 1808 to at least mid-February 1809. The second, made by physician José Hipólito Unanue in Lima, Peru, describes sunset after-glows (akin to well-documented examples known to be caused by stratospheric volcanic aerosols) from mid-December 1808 to February 1809. These two accounts provide direct evidence of a persistent stratospheric aerosol veil that spanned at least 2600 km into both Northern and Southern Hemispheres and establish that the source was a tropical volcano. Moreover, these observations confirm that the Unknown eruption, previously identified and tentatively assigned to February 1809 (±4 months) from analysis of ice core sulfate records, occurred in late November or early December 1808 (4 December 1808 ±7 days). This date has important implications for the associated hemispheric climate impacts and temporal pattern of aerosol dispersal

Analysis of Neptune's 2017 Bright Equatorial Storm

We report the discovery of a large ($\sim$8500 km diameter) infrared-bright storm at Neptune's equator in June 2017. We tracked the storm over a period of 7 months with high-cadence infrared snapshot imaging, carried out on 14 nights at the 10 meter Keck II telescope and 17 nights at the Shane 120 inch reflector at Lick Observatory. The cloud feature was larger and more persistent than any equatorial clouds seen before on Neptune, remaining intermittently active from at least 10 June to 31 December 2017. Our Keck and Lick observations were augmented by very high-cadence images from the amateur community, which permitted the determination of accurate drift rates for the cloud feature. Its zonal drift speed was variable from 10 June to at least 25 July, but remained a constant $237.4 \pm 0.2$ m s$^{-1}$ from 30 September until at least 15 November. The pressure of the cloud top was determined from radiative transfer calculations to be 0.3-0.6 bar; this value remained constant over the course of the observations. Multiple cloud break-up events, in which a bright cloud band wrapped around Neptune's equator, were observed over the course of our observations. No "dark spot" vortices were seen near the equator in HST imaging on 6 and 7 October. The size and pressure of the storm are consistent with moist convection or a planetary-scale wave as the energy source of convective upwelling, but more modeling is required to determine the driver of this equatorial disturbance as well as the triggers for and dynamics of the observed cloud break-up events.Comment: 42 pages, 14 figures, 6 tables; Accepted to Icaru

Instrument to Evidence to Argument: Visual Mediation of Invisible Phenomena in Scientific Discourse

This dissertation examines how scientists and scientific editors have approached specific problems related to visualization and visual argumentation in scientific texts. These problems are related to the following research questions: (1) How are new visualization practices established as scientifically credible? (2) How do scientists modify existing instrument output to make new visual arguments? (3) How do scientists use verbal and visual means to transform problematic data into acceptable support for novel claims? (4) What are the practical and ethical boundaries of modifying visual artifacts for scientific arguments? (5) How do scientists refute established (but incorrect) visualizations that have been widely accepted as accurate representations of reality? This project considers these issues rhetorically by examining a number of recent and historical cases. The first three case studies explore how scientists created both compelling and uncompelling visual arguments by mediating the visual output of instruments with rhetorical strategies. These case studies focus on visualizations from physical science: x-ray diffraction photographs, graphics establishing the theory of plate tectonics, and visualizations of atmospheric phenomena. In each case, visualizations articulated invisible phenomena in new ways, transforming unclear or seemingly unremarkable data into convincing knowledge claims. My analysis of these cases explores how scientists integrate visuals into the analogical, causal, transitive, symmetrical, and dissociation arguments that are so essential to the practice of science. The later case studies examine broader concerns regarding ethics, persuasion, and modern scientific visualization. I examine recent issues related to the digital generation and manipulation of scientific images and rhetorical issues related to scientists' increasing dependence on complicated computer algorithms for creating visual arguments

Report of Workshop on Mount Saint Helens: Its Atmospheric Effects and Potential Climatic Impact

The atmospheric and potential climatic aspects of a volcanic eruption were discussed. Measurements and techniques used in collecting the data are summarized

A quantitative, satellite-based analysis of fog and low stratus clouds in the context of land-atmosphere interactions

Nebel und niedrige Stratuswolken (fog and low stratus, FLS) sind ein wichtiger Teil des Klimasystems, da sie die Strahlungsbilanz der Erde direkt beeinflussen und als Wasser- und Nährstoffquellen für Ökosysteme dienen. Darüber hinaus haben sie wirtschaftliche Auswirkungen, da sie den Verkehr beeinträchtigen und eine Herausforderung für die Erzeugung von Solarenergie darstellen. FLS werden durch eine Vielzahl von Prozessen in der Atmosphäre und auf der Landoberfläche beeinflusst, wobei die Stärke, Richtung und Wechselwirkungen dieser Prozesse auf zeitlichen und räumlichen Skalen variieren. Das Verständnis des Einflusses von Umweltfaktoren auf die räumlichen und zeitlichen Muster von Nebel und niedrigem Stratus ist für ihre Vorhersage sowie für die Parametrisierung der Wechselwirkungen zwischen Landoberfläche und Atmosphäre in Wetter- und Klimamodellen unerlässlich. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es das wissenschaftliche Verständnis des Einflusses von meteorologischen und landoberflächenbasierten Faktoren auf das Auftreten und den Lebenszyklus von FLS zu verbessern. Hierbei werden FLS Prozesse im Kontext von Interaktionen zwischen Landoberfläche und Atmosphäre untersucht sowie der Einfluss der Landoberoberfläche auf das Vorkommen von Nebel und niedrigem Stratus analysiert. Die zentralen Orientierungspunkte der Teilstudien, mit räumlichen Fokus auf Mitteleuropa, sind vier Hauptforschungsfragen: 1. Welche Faktoren beeinflussen die großskaligen räumlichen und zeitlichen Muster von Nebel und niedrigem Stratus? 2. Wie beeinflusst die Landoberfläche räumliche Variationen des Vorkommens von Nebel und niedrigem Stratus? 3. Was sind klimatologische Muster der Bildung und Auflösung von Nebel und niedrigem Stratus? 4. Was sind regionale und subregionale Regime der Bildung und Auflösung von Nebel und niedrigem Stratus? Diese Forschungsfragen werden in vier separaten Studien behandelt, in denen Satellitendatensätze und Reanalysedaten in Kombination mit verschiedenen statistischen Methoden verwendet werden. Durch die Verwendung von Satelliten- und Reanalysedaten ist es möglich den Einfluss von Umweltfaktoren auf FLS auf großen räumlichen und zeitlichen Skalen zu untersuchen, die in der bisherigen Forschung nicht berücksichtigt wurden. Die wichtigsten Ergebnisse werden im Folgenden erläutert. In einer für Kontinentaleuropa durchgeführten Studie wird ein statistisches Modell aufgesetzt, welches Tagesmittel der FLS Bedeckung mithilfe von meteorologischen und landoberflächenbasierten Prädiktoren vorhersagt. Die anschließende Sensitivitätsstudie zeigt, dass atmosphärische Prädiktoren, insbesondere Luftdruck, Windgeschwindigkeit und die FLS Bedeckung des Vortages, für die Vorhersage der FLS Bedeckung wichtiger sind als Charakteristika der Landoberfläche. Verdunstung und Landoberflächentemperatur gewinnen an Bedeutung für das Modell, wenn ausschließlich Hochdruckwetterlagen berücksichtigt werden. Die Analyse zeigt nicht nur die Bedeutung von atmosphärischen Prädiktoren für das statistische Modell auf, sondern verdeutlicht auch das Potential der Auswahl von Hochdruckwetterlagen für die Analyse des Einflusses der Landoberflächen auf Nebel und niedrigen Stratus. In einem subregionalen Ansatz wird die mittlere nächtliche FLS Bedeckung über einem großen Waldgebiet in Europa mit derjenigen über dem umliegenden landwirtschaftlichen Gebiet verglichen. Unter Verwendung zweier unabhängiger satellitengestützter FLS Datensätze findet sich über dem Waldgebiet eine signifikant höhere nächtliche FLS Bedeckung. Mögliche Gründe hierfür sind niedrige Windgeschwindigkeiten und Landoberflächentemperaturen sowie eine Temperaturinversion und eine höhere Konzentration von biogenen Kondensationskernen über dem Waldgebiet. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Landoberfläche auf den untersuchten klimatologischen Skalen einen erheblichen Einfluss auf das Auftreten von Nebel und niedrigem Stratus hat. Zusätzlich zur Analyse der FLS Bedeckung folgt eine Analyse des FLS-Lebenszyklus hinsichtlich dessen Bildungs- und Auflösungszeitpunktes. Zu diesem Zweck wird eine logistische Regression auf einen bestehenden satellitengestützten FLS Datensatz über Mitteleuropa angewendet. Die klimatologische Analyse zeigt ausgeprägte geographische Muster der FLS-Bildung und Auflösung, die von der Topographie, der Nähe zur Küste und der Sonneneinstrahlung abhängen. Die saisonalen Muster ähneln sich in Frühling und Sommer und in Herbst und Winter, wobei die FLS-Persistenz in den letztgenannten Jahreszeiten höher ist. Der so entstandene neue Datensatz bildet die Grundlage für Analysen von Faktoren des Lebenszyklus von Nebel und niedrigem Stratus von Fallstudien bis hin zu klimatologischen Analysen. Aus diesem Datensatz werden regionale Regime des FLS Lebenszyklus abgeleitet, indem ein hierarchischer Clustering Algorithmus auf Sensitivitäten der FLS Bildungs- und Auflösungzeit hinsichtlich Umweltfaktoren angewandt wird. In Mitteleuropa werden vier Hauptregime der FLS Bildung und Auflösung identifiziert: zentral, maritim, Mediterran und Baltisch-Skandinavisch. Subregionale Regime werden hinsichtlich ihrer mittleren monatlichen Sensitivitäten von Bildungs- und Auflösungszeitpunkt gegenüber Veränderungen in Luftdruck, Windgeschwindigkeit, Landoberflächentemperatur und Verdunstung analysiert. Die Sensitivitäten zeigen eine deutliche Abhängigkeit vom klimatischen und geographischen Hintergrund des Regimes. Darüber hinaus könnte der vorherrschende FLS Typ der bestimmende Faktor für die beobachteten Sensitivitätsmuster sein, sodass künftig eine Filterung nach spezifischen FLS Typen von Bedeutung sein wird. Die Ergebnisse dieser Arbeit verbessern das Verständnis der Einflüsse atmosphärischer und landoberflächenbasierter Faktoren und ihrer Wechselwirkungen auf das Auftreten und den Lebenszyklus von Nebel und niedrigen Stratuswolken. Die spezifischen Einflüsse variieren standortabhängig und auf zeitlichen Skalen: Einflüsse meteorologischer Faktoren dominieren auf kürzeren Zeitskalen (mehrere Tage bis Monate), während die Verwendung von Jahresmittelwerten oder die Filterung spezifischer Wettersituationen die meteorologischen Schwankungen verringert und die Analyse von Landoberflächeneinflüssen auf die FLS Bedeckung ermöglicht. Ein vielversprechender Ansatz ist die Verwendung von regionalen Modellregionen und von zusätzlichen Variablen, um Faktoren der FLS-Persistenz zu untersuchen. Vorläufige Ergebnisse einer solchen Studie für die Po-Ebene zeigen, dass meteorologische Faktoren hauptverantwortlich für die Persistenz von Nebel und niedrigem Stratus sind, wobei die Aerosolbelastung des Vortages die Persistenz bei starker Luftverschmutzung um bis zu 60 Minuten erhöht. Mithilfe von regional spezifischen Studien über die Auswirkungen von Umweltfaktoren auf den Lebenszyklus von Nebel und niedrigen Stratus können somit Rückschlüsse und Lehren für deren regionale Vorhersage, die Verkehrssicherheit und die Erzeugung von Solarenergie gezogen werden

Improving Nocturnal Fire Detection with the VIIRS Day-Night Band

As an important component in the Earth-atmosphere system, wildfires are a serious threat to life and property that—despite improving warning systems—have exacted greater costs in recent years. In addition, they impact global atmospheric chemistry by releasing potent trace gasses and aerosols. Using the Visible Infrared Imaging Radiometer Suite (VIIRS), this study investigates the adjustment of fire pixel selection criteria to include visible light signatures at night, creating the Firelight Detection Algorithm (FILDA). This allows for greatly improved detection of smaller and cooler fires from satellite observations. VIIRS scenes with coincident Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection (ASTER) overpasses are examined after applying the operational VIIRS fire product algorithm and including a modified candidate fire pixel selection approach, which lowers the 4 μm brightness temperature threshold from 305 K but includes a minimum day-night band (DNB) radiance. FILDA is tested by applying it to scenes in different environments, including large forest fires like the Rim Fire in California and High Park fire in Colorado, in addition to gas flares. A large increase in the number of detected fire pixels is observed with small non-agricultural wildfires, as verified with the finer-resolution ASTER data (90 m). Quantitative use of the DNB to improve detection of these smaller fires could lead to reduced warning and response times as well as provide more accurate quantification of biomass burning emissions at night. Adviser: Jun Wan

Polar ozone

The observation and interpretation of a large, unexpected ozone depletion over Antarctica has changed the international scientific view of stratospheric chemistry. The observations which show the veracity, seasonal nature, and vertical structure of the Antarctic ozone hole are presented. Evidence for Arctic and midlatitude ozone loss is also discussed. The chemical theory for Antarctic ozone depletion centers around the occurrence of polar stratospheric clouds (PSCs) in Antarctic winter and spring; the climatology and radiative properties of these clouds are presented. Lab studies of the physical properties of PSCs and the chemical processes that subsequently influence ozone depletion are discussed. Observations and interpretation of the chemical composition of the Antarctic stratosphere are described. It is shown that the observed, greatly enhanced abundances of chlorine monoxide in the lower stratosphere are sufficient to explain much if not all of the ozone decrease. The dynamic meteorology of both polar regions is given, interannual and interhemispheric variations in dynamical processes are outlined, and their likely roles in ozone loss are discussed